地下车站顶板上方设置 人工接地网的合理性研究

陈 霞，何治新，周 丹，邓 树，崖尚松，王 伟

（1. 广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010；2. 北京市金合益科技发展有限公司，北京 100160）

地下车站是指位于地表以下的城市轨道交通车站，即地铁站，地下车站的接地包括信号、通信等设备的屏蔽接地、逻辑接地、信号接地和基准电位接地、防雷接地和各个电压等级的保护接地。地下车站的接地系统电阻值要求小于1 Ω，这一规定数值的形成一方面是我国城市轨道交通行业在早期参考其他国家的工程经验，另一方面则是参考相关国家标准[1-4]。

地下车站的接地网一般情况下位于维护结构内的站台底板下方，也有将接地网设置在车站建筑结构顶板上方的工程案例[5]，之所以将接地网设置在车站结构顶板上方，是因为接地网埋设在站台底板下方的条件不允许，比如车站所处位置地下为岩石，开挖较为困难，或者是土壤电阻率较高，土建投资或降阻工作的开展较为困难等。例如广州市的天河地铁站便是由于站下土壤电阻率偏高，将接地网设置在车站建筑结构顶板上方[6]。

伴随着城市规模的不断扩大，城市轨道交通行业也迅速发展，但是可供城市轨道交通线路选择的区域、地层位置也日趋缩减，车站站址所处位置的土壤环境可能会较差，由此带来城市轨道交通线路规划中一系列难题。与之相关的便是在城市轨道交通中的车站接地网设计，大部分的工程均采用底板下接地网方案，当车站底板下方土质为风化岩、电阻率较高时，会使得车站人工接地网的电阻值偏大，伴随的便是一系列的降阻工程，可能会面临开挖困难、土建投资增加较大等难题，这时便可以考虑将人工接地网敷设在车站顶板上方。

本文从仿真试验的角度对接地网设置在车站结构顶板上方的情况进行研究。CDEGS仿真软件由加拿大安全工程服务与技术有限公司(加拿大SES公司)历时数年研发，应用CDEGS软件可以进行的具体研究包括：大型变电站、发电站以及各类建筑物的防雷、接地系统安全性评估及其分析；雷击等暂态分析；共用走廊内的铁路、输电线路、石油管道、通信线路、天然气管道之间的电磁干扰和防护措施分析；各类电磁场计算等，故选择CDEGS软件，在CDEGS软件中建立起顶板上方地铁接地网的仿真试验模型，分析满足这一设计的可行性条件，主要是电气参数方面的可行性：对可能影响接地网工频接地电阻值的因素以及接触电压、跨步电压等安全性参数进行校核，对土壤电阻率、土壤厚度及接地网内部网格尺寸及规格等可能影响接地电阻的因素展开对比分析，并总结出接地网设置在车站结构顶板上方时满足电气参数的适用性条件。研究结论可以为该类地下车站接地网的设计和施工提供参考，有助于工程实际中在车站结构顶板上方设置接地网的设计与施工指导，具有工程实践应用价值。

1 地下车站接地网结构及研究方案概述

1.1 接地网结构简介

地下车站的接地由两部分构成：一部分是自然接地装置，由车站建筑主体内部的钢筋和附属结构钢材组成；另一部分便是埋设的人工接地网。测量接地电阻时人工接地网和自然接地装置应该分别独立测量，本文主要研究的是人工接地网的相关电气参数。

1.1.1 接地网位于结构底板下方

地下车站的人工接地网一般都设计在车站建筑基坑垫层和结构底板的下方，位于车站变电所投影区域下方，由水平接地体、垂直接地体和接地引出装置所构成，并且水平接地体距离结构底板要大于0.8 m，即埋深大于0.8 m，接地网的结构和各部分示意如图1所示。接地引出装置通常在站台板下夹层内电缆井附近或站台层强电及弱电设备用房下电缆夹层内边缘处引出，并且需要避开地铁轨道、建筑结构墙、风道和桩基础等。一般情况下车站接地网共有6处接地引出：如图1中的P1、P2和P3是变电所强电设备接地引出线，P4、P5和P6是弱电设备接地引出线。每组弱电设备引出线和强电设备引出线之间的距离应大于20 m。

图1 地下车站的人工接地网结构及各部分示意 Figure 1 Manual grounding grid structure of underground station and its composition

1.1.2 接地网位于结构顶板上方

车站结构顶板上方铺设接地网和底板下的接地网结构整体相同，只是所处位置的区别，顶板上接地网可以在车站建筑整体浇筑完成后再进行施工，即接地电阻测量工作可以在最后进行，不会影响建筑分段施工进度。接地网的回填土壤可以选用低电阻率的土壤或者降阻剂，接地绝缘引出装置可以通过车站通风井等引出。但是在结构顶板上方埋设接地网时，顶板上方的土壤厚度要满足接地网埋深的相关要求，否则这一接地网埋设方案便不能实施。

1.2 研究方案

关于地下车站中接地网的结构和所处位置的分析，参考文献[5]、文献[7]中的相关参数，在CDEGS软件中建立起地下车站的接地网模型，如图2所示，包括水平接地网和若干垂直接地体，其中垂直接地体材质是直径50 mm、壁厚5 mm的铜管材，水平接地网的材质是截面为50 mm×5 mm矩形的铜材。

图2 CDEGS软件中建立的地下车站接地网仿真计算模型 Figure 2 Simulation calculation model of underground station grounding grid established by using CDEGS software

由于在CDEGS软件中无法直接建立截面为矩形的材质模型，故在此需要通过文献[8]中的等效公式，如式(1)，将水平接地网中截面积为矩形的铜材等效换算成截面为圆形的铜材，等效换算后的水平接地网导体是直径为25 mm的圆形截面。

式中：d为直径；b为矩形长度。

本文主要希望通过改变接地网所处区域的各项参数，来研究将接地网置于车站结构顶板上方的可行性和适用性条件，首先需要对比相同参数的接地网位于车站底板下方和顶板上方时的接地电阻值，做出定性判断；之后再具体研究接地网位于车站顶板上方时的情况，分析接地网埋深、土壤电阻率、接地网参数等因素对接地电阻的影响；最后再对接地网埋设于车站顶板上方时的安全性参数展开校核，例如接触电压、跨步电压等。

2 影响接地电阻的因素

2.1 接地网位置及土壤电阻率

按照1.2节中建立的仿真计算模型，首先展开接地网分别位于车站底板下方和车站结构顶板上方时，两种情况的工频接地电阻值对比研究。通过CDEGS软件中的土壤电阻率水平分层功能对地下车站及其周围的土壤电阻率进行建模，如图3中土壤电阻率分层示意原理所示，车站的整个建筑物为混凝土浇筑结构，将地下车站简化为长方体空腔结构A，外壳厚度0.5 m，外部长140 m，宽25 m，高8 m，电阻率为2 000 Ω·m，车站建筑物之外便是土壤区域，可以通过更改土壤的电阻率来计算不同土壤电阻率对应的车站接地网工频接地电阻值[9]。

图3 地下车站不同的接地网埋深方式剖面及 土壤电阻率分层情况 Figure 3 Profile of different buried depth modes of the grounding grid and soil resistivity stratification of the underground station

将土壤电阻率的变化范围设置为50～500 Ω·m，每隔100 Ω·m对接地网的工频接地电阻值进行计算，汇总得到如图4中所示的电阻变化情况。从图4中可以看出，当土壤电阻率小于200 Ω·m时，两种方案的相差较小，接地电阻值相差范围在65%以内；但是当土壤电阻率大于300 Ω·m时，两者的电阻值便出现了 更大的变化，以土壤电阻率500 Ω·m为例，顶板上接地网电阻值比顶板下接地网电阻值大77.5%，并且这一区别随着土壤电阻率的增加而继续变大。这主要是由于顶板上方的土壤厚度有限，该模型下的顶板上方覆土仅有5 m，接地体的散流区域有限，而接地网位于底板以下时，故障电流沿下方土壤的散流相对不受土壤厚度的限制。

图4 接地网的工频接地电阻值随土壤电阻率的变化情况 Figure 4 Variation in power frequency grounding resistance of the grounding grid with soil resistivity

上文中分析了站址土壤电阻率为固定值时的顶板上接地网和底板下接地网电阻值差异情况，继续分析在车站结构顶板上方回填低电阻率填料后的接地网电阻值变化情况。工程实际中，车站顶板上方回填多为素土、粉质黏土等低电阻率土壤，同样使用图3中的接地网模型进行仿真计算，保持站址周围的土壤电阻率不变，通过在模型中更改车站结构顶板上方的土壤电阻率来达到对比分析的效果。如表1中所示，列出了回填不同的低电阻率土壤后对应的接地网接地电阻的数值，将其绘制在图4中进行对比：从图4中可以直观地看出，在车站结构顶板上方回填40 Ω·m和80 Ω·m的低电阻率土壤时，接地网的接地电阻值相比不回填低电阻率土壤时出现了明显的下降，并且回填低电阻率土壤后，顶板上接地网的电阻值接近底板下接地网的电阻值，例如当站址土壤电阻率为400 Ω·m时，回填40 Ω·m土壤对应的接地电阻值为1.95 Ω，而底板下接地网这一情况对应的接地电阻值为1.78 Ω，两者相差9.6%；当站址土壤电阻率为500 Ω·m时，回填40 Ω·m土壤对应的接地电阻值为2.19 Ω，而底板下接地网这一情况对应的接地电阻值为2.16 Ω，两者相差仅为1.4%。证明当站址周围的土壤电阻率较高时，接地网设置在结构顶板上方回填低电阻率土壤、底板下设置接地网这两种情况的接地电阻值相差较小，证明当站址周围土壤电阻率较高时，可将接地网设置在车站结构顶板上方并回填低电阻率土壤，是可行的。

表1 回填不同土壤电阻率的土壤时对应的接地网接地电阻值 Table 1 Corresponding grounding resistance value of grounding grid when backfilling soil with different soil resistivity

2.2 土壤厚度

根据2.1节中的分析结论，地下车站结构顶板上方的覆土厚度是影响接地网电阻值的一方面因素，所以本节针对地下车站结构顶板上方的覆土厚度对电阻值的影响进行计算分析。采用控制变量法研究土壤厚度对接地电阻值的影响，假设土壤的电阻率为均匀分布，为100 Ω·m；接地网中的水平接地体距离地表始终为0.8 m；当车站建筑结构顶板上方的覆土厚度从4 m增至9 m时，接地网的工频接地电阻值变化如图5中所示。

图5 接地电阻值随顶板上方覆土厚度的变化情况 Figure 5 Variation in grounding resistance value with the thickness of soil covering above the top plate

如果以文献[6]、[7]中所建议的1 Ω作为接地网的工频接地电阻达标临界值，那么当车站结构顶板上方的覆盖土壤厚度大于4.2 m时，该种接地网的接地电阻值才能达标。不过这一土壤厚度临界值仅适用于土壤电阻率为100 Ω·m时的场景，土壤厚度临界值势必随着土壤电阻率的变化而变化。继续研究不同土壤电阻率时的覆土厚度临界值，将计算得到的数据汇总如表2中所示，可见当土壤电阻率的数值逐渐增大时，所要求的车站结构顶板上方覆土厚度也逐渐增厚，并且土壤厚度随土壤电阻率的变化关系几乎是呈指数形式的，拟合关系式为：y=2.9474e0.0041x，但是在工程实践中覆土厚度不可能无限制增加，一方面是考虑到地下车站主体建筑的设计埋深问题，另一方面则是考虑到上方覆土厚度增加所引起的建筑物载荷极限。不过由于覆土区域有限，可以通过在顶板上方回填低电阻率的土壤或者降阻剂等来降低土壤电阻率，进而达到降低覆土厚度的目的，具体工程应用中可以参考表2中的相关数据有序进行。

表2 不同土壤电阻率所对应的顶板上方覆土厚度临界值 Table 2 Critical value of overburden thickness above the roof corresponding to different soil resistivities

2.3 接地网内部网格尺寸及规格

除了土壤电阻率、土壤厚度等参数之外，接地网内部网格的尺寸和规格也是影响接地电阻值的因素 之一，上文中所计算模型中的水平接地网网格尺寸为10 m×15 m，水平导体的直径为35 mm。保持水平接地网的外缘尺寸为150 m×30 m，固定土壤厚度为5 m，固定土壤电阻率为100 Ω·m，通过改变水平接地网的网格尺寸和导体直径来研究其对接地电阻值的影响。

2.3.1 网格尺寸

通过图2所示接地网模型中增加若干横向导体和纵向导体，具体的导体数目和网格尺寸如表3所示，对接地网的接地电阻值进行仿真计算，得到的结果如表3所示。

表3 不同接地网网格尺寸所对应的接地电阻值 Table 3 Grounding resistance corresponding to different grid sizes of the grounding grid

分析表3中的数据可知：当接地网的网格逐渐加密时，接地网的接地电阻值变化并不明显，电阻值均为0.82～0.83 Ω，例如，当接地网网格尺寸为8.8 m× 10 m时的电阻值为0.824 8 Ω，比网格尺寸11.5 m× 15 m时所对应的电阻值0.834 1 Ω仅降低了1.1%。这一计算结果证明通过加密接地网网格尺寸的方法进行降阻的效果甚微，应用该种方法进行降阻时可以参考此计算结果。

2.3.2 接地网导体直径

研究接地网中水平导体的直径对接地电阻值的影响时，将导体直径从35 mm分别更改为30 mm、40 mm、50 mm和60 mm，得到对应的接地电阻值如图6所示。分析可知，增加导体直径对于降阻有一定的作用，例如导体直径为60 mm相比于30 mm的接地网电阻值仅降低了1.07%，可见在这种土壤计算条件下，通过增加接地网导体直径来进行降阻几乎没有任何效果。在工程实践中增加接地网的导体直径可以增长接地网的腐蚀断裂年限，延长接地网的服役时间，但是进行应用时仍需要综合衡量经济成本与降阻效果之间的关系进行合理选择。

图6 接地电阻值随接地网导体直径的变化情况 Figure 6 Variation in the grounding resistance value with grounding grid conductor diameter

3 接触电压和跨步电压的安全性要求

由于接地网位于车站结构顶板以上、地表以下，需要考虑故障电流通过接地网散流时地表上方接触电压和跨步电压等安全性参数的分布情况。

有相关文献中对变电站内的接触电压和跨步电压限值做了规定：不应该超过式(2)和式(3)计算所得到的数值[10-11]。对于车站接地网对应地表的接触电压和跨步电压安全限值分析也可以参考这一规定。

式中：Ut为接触电压允许值，V；Us为跨步电压允许值，V；ρs为地表铺设层的电阻率，Ω·m；Cs为表层衰减因数；ρ为地表铺设层下面的土壤电阻率(相当于未铺设高阻层时的表层土壤电阻率)，Ω·m；hs为地表铺设层的厚度，m；t为入地故障电流持续时间，取值0.3 s。

当工作人员位于接地网上方的地表时，人脚与地面接触处的土壤电阻率ρs是一个变化参数，如表4所示，列出了不同的表层土壤电阻率ρs下所对应的接触电压和跨步电压安全限值。分析表4中数据可知，当入地故障电流持续时间固定时，表层土壤电阻率对于接触电压和跨步电压的安全限值几乎起到了决定性作用，表层土壤电阻率为5 000 Ω·m时的接触电压是表层土壤电阻率1 000 Ω·m时的2.97倍，跨步电压的2.42倍。因此可以通过在地表铺设高阻层来达到提高接触电压和跨步电压的安全限值的作用。事实上，沥青混凝土、砾石等材质的电阻率在5 000 Ω·m左右，因此可以将仿真计算时的地表土壤电阻率设置为5 000 Ω·m，来模仿实际中在地表铺设沥青混凝土的情况[12]。限值2 707.01 V。故可以判断出在最严重的短路故障情况下，地下车站结构顶板上方设置人工接地网也能使地表的接触电压和跨步电压限值在安全范围以内，不会存在由于故障电流流入接地网而引起地表上方工作人员的触电事故。

表4 不同表层土壤电阻率所对应的接触电压和 跨步电压安全限值 Table 4 Safety limits of contact voltage and step voltage corresponding to different surface soil resistivities

地下车站的中压供电等级为35 kV，当发生严重接地短路接地故障时，设置流入接地网的故障电流值为3 kA，由此计算出对应的地表接触电压和跨步电压分布情况，分别如图7、8所示。从图7中可以得知，接地网上方各区域接触电压最大值为487 V，远低于安全限值1 869.56 V；从图8中可以得知，接地网上方各区域跨步电压最大值为64.1 V，同样远低于安全

图7 接地网上方接触电压分布 Figure 7 Distribution of touch voltage on the grounding grid

图8 接地网上方跨步电压分布 Figure 8 Distribution of step voltage on the grounding grid

4 结论

本文借助专业的接地分析软件CDEGS，对地下车站结构顶板上方设置人工接地网的电气参数合理性进行了系统研究，研究结果表明：

1) 在文中研究模型下，当土壤电阻率在100～500 Ω·m范围内变化时，接地网设置在底板以下或结构顶板上方时，两者的接地电阻具有差别，约70%。

2) 可以通过在结构顶板上方回填低电阻率的土壤、增加覆土厚度等措施将接地网的工频接地电阻值限制在合理范围之内，当站址土壤电阻率为400～500 Ω·m时，结构顶板上方接地网和底板下方接地网的接地电阻相差小于10%。

3) 在文中研究模型下，在地下车站结构顶板上方设置接地网时，当发生严重的短路接地故障时，地表上方的接触电压和跨步电压等安全性参数均远低于安全限值。

综合分析可以得出：地下车站结构顶板上方设置人工接地网这一设计可以满足接地网电气参数的相关要求，这一结论对于类似的工程问题具有可借鉴价值，但是在具体的工程实践中，可能会存在车站建筑设计不同、接地网结构不同等条件的约束，与本文中的研究工作会有所区别，因此在工程实践仍然需要具体问题具体分析，需要建立适合于本工程的接地网模型来细化研究。